חוקרי LSU גילו תגלית משמעותית הקשורה למאפיינים הבסיסיים ולהתנהגותם של גלים פלסמונים, שיכולים להוביל לפיתוח של טכנולוגיות קוונטיות רגישות וחזקות יותר. קרדיט: LSU
חוקרי קוונטים חושפים השלכות חשובות על טכנולוגיה קוונטית.
בפרסום לאחרונה ב פיזיקת הטבע, LSU Quantum Photonics Group מציעה תובנות חדשות לגבי התכונות הבסיסיות של פלסמונים פני השטח, ומאתגרת את ההבנה הקיימת. בהתבסס על מחקרים ניסויים ותיאורטיים שנערכו במעבדתו של פרופסור-משנה עומר מגניה-לואיזה, ממצאים חדשים אלה מסמנים התקדמות משמעותית בפלסמוניקה קוונטית, אולי הראויה לציון בעשור האחרון.
חשיבה מחודשת על התנהגות פלסמונית
בעוד שמחקר קודם בתחום התמקד בעיקר בהתנהגויות הקולקטיביות של מערכות פלסמוניות, קבוצת LSU אימצה גישה מובחנת. על ידי ראיית גלים פלסמונים כפאזל, הם הצליחו לבודד תת-מערכות מרובות חלקיקים, או לפרק את הפאזל לחתיכות. זה אפשר לצוות לראות כיצד חלקים שונים עובדים יחד וחשף תמונה שונה, או במקרה זה, התנהגויות חדשות עבור פלסמונים על פני השטח.
פלסמונים הם גלים הנעים לאורך פני השטח של מתכות כאשר אור מחובר לתנודות מטען. בדומה להשלכת חלוקי נחל למים מייצרת אדוות, פלסמונים הם "גליות" הנעות לאורך משטחי מתכת. גלים זעירים אלה פועלים בקנה מידה ננומטרי, מה שהופך אותם למכריעים בתחומים כמו ננוטכנולוגיה ואופטיקה.
מכניקת הקוונטים של פלסמונים
"מה שמצאנו הוא שאם נסתכל על תת-המערכות הקוונטיות של גלים פלסמוניים, נוכל לראות דפוסים הפוכים, תבניות חדות יותר והפרעות הפוכות, וזה מנוגד לחלוטין להתנהגות הקלאסית", הסבירה ריילי דוקינס, סטודנטית לתואר שני ושותפה. המחבר הראשון של המחקר, שהוביל את החקירה התיאורטית.
באמצעות אור המכוון לננו-מבנה זהב והתבוננות בהתנהגות האור המפוזר, קבוצת הקוואנטים של LSU הבחינה כי פלסמונים על פני השטח יכולים להפגין מאפיינים של בוזונים וגם של פרמיונים, שהם חלקיקים בסיסיים בפיזיקה הקוונטית. משמעות הדבר היא שתת-מערכות קוונטיות יכולות להפגין התנהגויות לא קלאסיות, כגון תנועה בכיוונים שונים, בהתאם לתנאים ספציפיים.
השלכות על טכנולוגיות קוונטיות
"דמיין שאתה רוכב על אופניים. הייתם מאמינים שרוב האטומים שלכם נעים באותו כיוון כמו האופניים. וזה נכון לגבי רובם. אבל למעשה, יש כמה אטומים שנעים בכיוון ההפוך", הסביר Magaña-Loaiza. "אחת ההשלכות של תוצאות אלו היא שעל ידי הבנת המאפיינים המאוד בסיסיים הללו של גלים פלסמונים, והכי חשוב, התנהגות חדשה זו, ניתן לפתח טכנולוגיות קוונטיות רגישות וחזקות יותר."
בשנת 2007, השימוש בגלים פלסמוניים עבור גַחֶלֶת זיהוי עורר מחקר על שימוש בעקרונות קוונטיים לשיפור טכנולוגיית חיישנים. נכון לעכשיו, החוקרים שואפים לשלב עקרונות אלה במערכות פלסמוניות כדי ליצור חיישנים בעלי רגישות ודיוק מוגברים. התקדמות זו טומנת בחובה הבטחה משמעותית בתחומים מגוונים, כולל אבחון רפואי, סימולציות של פיתוח תרופות, ניטור סביבתי ומדע מידע קוונטי.
אבן דרך בחקר הקוונטים
המחקר אמור להשפיע באופן משמעותי על תחום הפלסמוניקה הקוונטית, שכן חוקרים ברחבי העולם ימנפו את הממצאים להדמיות קוונטיות. צ'נגלונג יו, פרופסור משנה למחקר ומחבר מקביל, הדגיש, "הממצאים שלנו לא רק חושפים את ההתנהגות החדשה והמעניינת הזו במערכות קוונטיות, אלא היא גם המערכת הפלסמונית הקוונטית עם המספר הגדול ביותר אי פעם של חלקיקים, וזה לבדו מעלה את הפיזיקה הקוונטית ל רמה אחרת."
סטודנט לתואר שני והסופר הראשון מינגיואן הונג הוביל את שלב הניסוי של המחקר. למרות המורכבות של מערכות פלסמוניות קוונטיות, הונג ציין שהאתגרים העיקריים שלו במהלך הניסויים היו הפרעות חיצוניות. "הרעידות ממקורות שונים, כמו סלילת כבישים, היוו אתגר משמעותי בשל הרגישות הקיצונית של הדגימה הפלזמית. עם זאת, בסופו של דבר הצלחנו להפיק תכונות קוונטיות מגלים פלסמוניים, פריצת דרך המשפרת טכנולוגיות קוונטיות רגישות. הישג זה יכול לפתוח אפשרויות חדשות להדמיות קוונטיות עתידיות".
תחת הכותרת "דינמיקה קרובה לא קלאסית של פלסמונים פני השטח", המחקר נערך כולו ב-LSU. "כל מחברי המחקר הזה קשורים ל-LSU פיסיקה ואסטרונומיה. יש לנו אפילו מחבר שותף שהיה אז תלמיד תיכון, שאני מאוד גאה בו", אמרה מגניה-לואיזה.
האיור משמאל מציג קרן לייזר אדומה מרגשת גלים פלסמונים על פני השטח של ננו-מבנה מתכתי (זהב). אלה מפוזרים לאחר מכן על ידי החריץ כדי לייצר מערכות מרובות חלקיקים בעלות תכונות קוונטיות ספציפיות. מערכות מרובות חלקיקים אלה מסומנות על ידי הכדורים. כתב היד שלנו מתאר את הדינמיקה הקוונטית מאחורי תהליך זה.
מחקר חדש זה מקודם על ידי "תצפית על השינוי של סטטיסטיקה קוונטית של מערכות פלסמוניות" ב תקשורת טבע.
קבוצת הפוטוניקה הקוונטית במחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה ב-LSU חוקרת תכונות חדשות של אור והפוטנציאל שלהן לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות. הצוות גם עורך מחקר ניסיוני בתחומי הפלסמונית הקוונטית, הדמיה קוונטית, מטרולוגיה קוונטית, הדמיית קוונטים, תקשורת קוונטית והצפנה קוונטית.
